[論文レビュー] Covering the celestial sphere at ultra-high energies

Jonathan Biteau, Teresa Bister+15 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーブル観測所とテレスコープ・アレイの統合データを用いて、10 EeVおよび50 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の全天マップを提示する。これにより、宇宙の全域にわたるモデルに依存しない非一様性探索が可能になった。複数の試行補正を施した後も顕著な非一様性は検出されなかったが、本研究は安定したクロスキャリブレーションされたフラックススケールを確立し、特に低次の多重極モーメントおよびスーパーギャラクティック平面に沿った大規模および中規模のUHECR非一様性について、新たな制約を提示した。

ABSTRACT

Despite deflections by Galactic and extragalactic magnetic fields, the distribution of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) over the celestial sphere remains a most promising observable for the identification of their sources. Thanks to a large number of detected events over the past years, a large-scale anisotropy at energies above 8 EeV has been identified, and there are also indications from the Telescope Array and Pierre Auger Collaborations of deviations from isotropy at intermediate angular scales (about 20 degrees) at the highest energies. In this contribution, we map the flux of UHECRs over the full sky at energies beyond each of two major features in the UHECR spectrum -- the ankle and the flux suppression --, and we derive limits for anisotropy on different angular scales in the two energy regimes. In particular, full-sky coverage enables constraints on low-order multipole moments without assumptions about the strength of higher-order multipoles. Following previous efforts from the two Collaborations, we build full-sky maps accounting for the relative exposure of the arrays and differences in the energy normalizations. The procedure relies on cross-calibrating the UHECR fluxes reconstructed in the declination band around the celestial equator covered by both observatories. We present full-sky maps at energies above 10 EeV and 50 EeV, using the largest datasets shared across UHECR collaborations to date. We report on anisotropy searches exploiting full-sky coverage and discuss possible constraints on the distribution of UHECR sources.

研究の動機と目的

• ピエール・オーブル観測所とテレスコープ・アレイの統合データを用いて、超高エネルギー（E > 10 EeVおよびE > 50 EeV）の全天宇宙線フラックスマップを作成すること。
• 高次の多重極寄与に関する仮定を避け、全天にわたるモデルに依存しない非一様性探索を可能にすること。
• 共通の赤緯帯（天の赤道付近）において、2つの観測所間のUHECRフラックスをクロスキャリブレーションし、エネルギー正規化を一貫させること。
• アングルを超えてフラックス抑制の上を越えた大規模および中規模の非一様性を調査し、源寄与と伝搬効果が最も顕著に現れる領域を特定すること。
• 特にスーパーギャラクティック平面に沿って、四重極成分および方向性クラスタリングを制約することで、将来的な探索の基盤を提供すること。

提案手法

• ピエール・オーブル観測所（南半球）とテレスコープ・アレイ（北半球）の統合データを用いて、全天カバレッジを達成すること。
• 重複するエネルギー閾値とイベントレート比較を用いて、共通の赤緯帯（天の赤道付近）でフラックスをクロスキャリブレーションし、エネルギースケールを一致させること。
• 専門作業部会による共同スペクトル解析に基づき、2つの観測所間のエネルギー正規化に向けたストレッチおよびシフト補正を適用すること。
• 可変な探索半径（15°および20°）を用いたLi & Ma検定を用いて、全天空の有意性マップを構築し、局所的な非一様性を検出すること。
• スカイおよび半径スキャンにおける複数の試行を補正するため、事後有意性補正に約10⁴のペナルティ係数を計算すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、等方性下での局所的有意性の期待分布を推定し、有意性閾値の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アングルを超えてフラックス抑制の上を越えたUHECRフラックス分布における大規模および中規模の非一様性は何か？
• RQ2 高次の多重極が支配的であると仮定せず、全天カバレッジが低次の多重極モーメント（例えば四重極）の制約をどのように改善できるか？
• RQ3 E > 10 EeVおよびE > 50 EeVのUHECRの方向分布は、天の全域にわたってどのように異なっているか？ これにより源分布および伝搬に関する何が示唆されるか？
• RQ4 最高エネルギー帯域において、スーパーギャラクティック平面付近に顕著なクラスタリング信号が存在するか？
• RQ5 ピエール・オーブル観測所とテレスコープ・アレイ間のクロスキャリブレーションは、統合された非一様性探索の信頼性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• E > 8.86/10 EeV（オーブル/TA）の統合データセットは、以前の全天研究と比較して、イベント数が3倍に増加した。
• E > 40/53.2 EeVでは、データセットが以前の研究と比較して1.6倍に増加し、より感受性の高い非一様性探索が可能になった。
• クロスキャリブレーションにより、2つの観測所間のエネルギースケールにシフトおよびストレッチの両方が確認され、フラックス再構築時に定量的に補正された。
• 複数の試行補正後、顕著な非一様性は検出されなかった：最高の局所的有意性は4.2σおよび4.0σであったが、事後有意性ではそれぞれ2.2σおよび1.5σに低下した。
• スカイ全体におけるLi & Ma有意性の分布は、等方性と整合的であり、平均および分散が1–2σの範囲でガウス分布に適合していた。
• 複数の試行（スカイおよび半径スキャン）に対するペナルティ係数は約10⁴と推定され、以前の独立した探索（10³–10⁵）よりも保守的かつ包括的なアプローチを反映していた。